автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Оценка и прогнозирование переносимости человеком интенсивных внешних воздействий на основе анализа динамических характеристик сердечного ритма

А_к,

Российская академия медицинских наук АО "ВНИИМП - ВИТА"

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВА Ирина Евгеньевна

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСИМОСТИ ЧЕЛОВЕКОМ ИНТЕНСИВНЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕРДЕЧНОГО РИТМА

05.13.09 - Управление в биологических н медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1996

Работа выполнена в отделе электрокардиографической техники и кардиокомплексов АО "ВНИИМГ1 - ВИТА" Российской АМН

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Майбородж Л .А

доктор медицинских наук, профессор Доротеи В.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ст.научн.сотр. Кукушкин Ю.А.;

доктор медицинских наук, профессор Федоров Б.М.

Ведущая организация: Центр подготовки космонавтов

им. КХАГагарина г.Щелково Моск. области.

Защита состоится " " 1996 г. часов

на заседании диссертационного совета Д.001.44.01 . " АО "ВНИИМП - ВИТА" Российской АМН по адресу: 125422, г. Москва, ул. Тимирязевская, 1, НИ ИМИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 2^ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задача оценки и прогнозирования состояния человека при действии на него интенсивных внешних факторов (как физических, так и стрессовых) имеет большое социальное значение, т.к. число групп людей, подвергающихся в своей деятельности воздействиям. которые не только влияют на качество профессиональной деятельное™, но и способны привести к тяжелым повреждениям в организме достаточно велико. Сюда относятся работники производств с тяжелыми физическими нагрузками, высоким риском аварий, в промышленности, на транспорте, представители ряда военных профессий, космонавты, спортсмены и др.

При этом большую практическую ценность имеют подходы, использующие "косвенные" параметры жизнедеятельности организма, регистрация которых проста и надежна, т.к. часто условия проведения обследований исключают применение сложных клшшко-физио-логических методов. Существенную роль играют и экономические ограничений.

К таким косвенным параметрам жизнедеятельности, обладающими в то же время "индикаторными" свойствами, относятся показатели сердечного ритма.

В настоящее время накоплен достаточно большой опыт применения методов компьютерной обработки сердечного ритма для оценки состояния человека. Однако использование этих методов для получения индивидуальных прогнозных оценок переносимости интенсивных воздействий не всегда оказывается эффективным, требует тестовых нагрузок значительной интенсивности, длительных записей и привлечения дополнительной медицинской информации. Это объясняется сложной структурой системы регуляции сердечного ритма, динамически?! характером изучаемых процессов, влиянием неконтролируемых факторов. Отсутствуют общепризнанные подходы к описанию ритма и построения критериев оценки. Выборки, имеющиеся в распоряжения исследователя, как правило не велики.

Используемые для описания структуры сердечного ритма методы чаще всего основаны на математическом анализе стационарных случайных процессов с ачементами автоматического регулирования. Поэтому они предполагают оценку относительно устойчивых состояний и не позволяют учесть динамику многих структурных элементов

сердечного ритма при воздействии. Как показали исследования, т в первую очередь относится к "микроструктуре" ритма, а также х рактеру взаимосвязей его основных параметров, которые ранее 1 учитывались. Практически не рассматривались .методологичесю вопросы, связанные с постановкой самой задачи анализа данных зависимости от методики испытаний, вида и интенсивности. прим> няемых тестовых, воздействий (функциональных нагрузочных проб привлекаемой априорной информации, а также вопросы обосноа ния принципов отбора параметров и построения решающих фуш ций.

Построение модели, учитывающей данные обстоятельства, являе ся самостоятельной научной проблемой и представляет больше практической интерес.

Целью работы является разработка методики, позволяющей 1 основе динамических характеристик сердечною ритма, зарегистрир« ванного во время тестовых проб, получать строгие критерии для ш дивидуальной оценки переносимости человеком различных виде воздействий:

- продольных ускорений в направлении "голова - газ" на цен рифуге;

- физических нагрузок на велоэргометре;

- моделируемых стрессовых воздействий.

Задачи исследований. Б соответствии с поставленной целью был определены следующие задачи, исследований.

1. Формализовать возможные постановки задачи анализа даниь по оценке и прогнозированию переносимости человеком иитенс+п ных воздействий в зависимости от типа воздействия, способа вер> фикавди данных и имеющегося экспериментального материала.

2. Разработать принципы унифицированного описания дин; мических параметров сердечного ритма для различных уровне описания: средневзвешенных характеристик, "мшсроструктурь ритма, структуры взаимосвязи параметров; сформулировать правит отбора признаков с целью отсева несущественных.

3. Определить вид решающей функции, удовлетворяющей приш тьш допущениям и прагматическим требованиям, таким как легкосп интерпретации и технической реализации, возможность расширена модели.

4. Получить критерии для оценки переносимости конкретных в* дов внешних воздействий с достоверностью, удовлетворяющей пс

4. Получить критерии для оценки переносимости конкретных видов внешних воздействий с достоверностью, удовлетворяющей потребностям практики.

Научная новизна работы заключается в постановке и разработке схемы решения задачи оценки переносимости человеком внешних воздействий на основе показателей серде'яюго ритма как задачи анализа данных с учетом динамических особенностей исходного процесса различных уровней, включая "микроструктуру" процесса и структуру взаимосвязей признаков.

Практическая значимость работы состоит в получении критериев, позволяющих оценивать переносимость человеком конкретных внешних воздействий - перегрузок продольного направления Сгг> физического воздействия по пробе на велоэргометре; идентифицировать ухудшение функционального состояния операторов при стрессовых воздействиях. При этом обеспечивается повышение качества диагностики, сокращение объема регистрируемой физиологической информации и снижение стоимости исследований, а также уменьшение интенсивности тестовых воздействий. Созданная на основе метода автоматизированная система может быть использована в гтрартике как клинических, так и доклинических обследований.

Внедрение результатов работы в практику. Алгоритмы анализа сердечного ритма, реализующие предложенный подход, внедрены в практику НИР в/ч 64688 для оценки и прогнозирования переносимости физических и стрессовых воздействий (Акт внедрения от 06.12.92 г.)

Методика и программное обеспечение для оценки переносимости человеком физических воздействий по пробе на велоэргометре внедрены в систему медицинского контроля космонавтов во время полетов на орбитальной станции "Мир" (Акт внедрения от 30.08.93 г.) и во время1 до- и послеполетных обследований (Акт внедрения от 10.07.95 г.).

Публикация: По материалам диссертации выпущен отчет отдела медицинского обеспечения полетов НПО "Энергия", опубликовано 2 печатных работы, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа изложена на 140 страницах, содержит 6 рисунков и 2 таблицы. В приложения включено 23 рисунка и

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Формализация постановки различных вариантов задач анализ; данных, связанных с оценкой переносимости человеком внешни: воздействий, а именно, задачи идентификации и прогнозирован«) состояния динамического объекта и задачи определения структурь множества состояний динамического объекта, позволила обеспечил адекватный выбор моделей дли эффективного решения прикладные задач.

2. Предложенный принцип описания исходного процесса позво ляет задействовать в модели динамические характеристик! различных уровней: средневзвешенные эффекты, нестабшгьносп микроструктуры процесса, изменения характера взаимосвязей основ ных параметров.

3. Предложенный алгоритм отбора признаков позволяет выделил наиболее существенные для оценки переносимости показателе сердечного ритма и таким образом повысить эффективность диагно сгики.

4. Функционал 5 = те £(лд = ПО-Л^)

л

выбранный в качестве решающей функции, допускает оптимизацик на ограниченном обучающем материале, ввиду малой степени сложности и небольшого числа входящих в него переменных и позволяем получить количественные критерии для решения практических задач

5. Алгоритмы и программы автоматизированной диагностики, созданные на основе предложенных принципов анализа ритма сердца позволяют получать оценку переносимости воздействий и прогнозировать неблагоприятные реакции в организме на такой стадии, когдг еще отсутствуют какие-либо клинически-значимые признаки снижения функциональных возможностей организма, а для такого воздействия, как перегрузки продольного направления - при значительнс сниженной интенсивности тестового воздействия.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе рассматривается прикладной аспект проблемы переносимости человеком внешних воздействий. Под переносимостью воздействия в данном случае понимается свойство организма изменял при воздействии дозированной величины некоторые свои параметры, которые будем называть "контрольными", в строго опреде-

ленном диапазоне. Эти параметры в действительности представляют собой комплексные показатели жизнедеятельности, определяемые экспертами на основе анализа большого количества медицинской информации, характеризующей с позиций накопленных к настоящему времени знаний адаптационный статус организма .

При решении задачи исходили из следующих основных предположений. Поскольку диагностика состояний организма до возникновения признаков какого-либо заболевания связана с изучением процессов регуляции жизненных функции, переносимость человеком внешних воздействий оценивали в зависимости от стабильности регуляции сердечного ритма. С позиций изучения сложных динамических объектов, к которым относится система регуляции ритма сердца, ее стабильность наилучшим образом можно оценить непосредственно во время воздействия. Будем считать, что стабильность регуляции сердечного ритма проявляется в сохранении определенных динамических особенностей процесса. При этом основное внимание будем уделять характеру флукгуаций (или микроструктуре) сердечного ритма и взаимосвязи параметров макро- и микроструктуры. Будем полагать, что снижение переносимости приведет к появлению качественных изменений динамических характеристик сердечного ритма. Для их выявления необходимо отслеживать:

1) смену тенденций изменения традиционных параметров, учитывающих средневзвешенные эффекты;

2) появление или усиление нестабильности микроструктуры ритма после фазы ее относительной стабилизации;

3) изменение характера взаимосвязи основных параметров ритма, в частности, взаимосвязи' традиционных параметров и параметров микроструктуры.

Исходя из этого для построения критерия оценки переносимости предложено использовать функционал вида:

ных видов нестабильности;

п - число выявленных видов нестабильности. Выражение для нормированных показателей нестабильности может быть в общем виде записано следующим образом:

• ЛГ* = —Ту-у—у. гае

ак\лкмах ~ лкши/

N1 - значение к - того показателя нестабильности;

Хктах,Х)гтЫ - соответственно максимальное и минимально«

значения показателей нестабильности для данного экспериментального протокола. Коэффициенты ак , входящие в выражение для Nк позволяют произвести выравнивание диапазонов изменений соответствующих признаков. Построенные таким образом показатели нестабильности изменяются в диапазоне от нуля до единицы и принимают нулевое значение в случае отсутствия данного вида нестабильности, и стремятся к единице при возрастании его выраженности. Показатель же стабильности регуляции ¿'(А^ ] , напротив, принимает значение, равное единице при отсутствии каких-либо проявлений нестабильности и стремится к нулю при увеличении выраженности различных видов нестабильности.

Коэффициенты Ьц,1\ в выражении для 5 зависят от некоторых обобщенных параметров, определяющих, с точностью до некоторых констант, среднегрупповые и индивидуальные свойства системы регуляции сердечного ритма. В качестве этих параметров берутся такие показатели сердечного ритма, связь которых с функциональным состоянием организма и переносимостью внешнего воздействия установлена хотя бы в некотором диапазоне значений. К таким параметрам можно отнести, например, среднее значение длительности кар-диоинтервалов при ншрузкс, показатели разброса значений кардио-интервалов в покое, разность средних значений клрдиошггервалов в покое и при нагрузке и некоторые другие. Обозначим через У^ показатель, зависящий от особенностей регуляции общих для некоторого контингента обследуемых, через У2 - показатель, характеризующий индиви -дуальные особенности регуляции ритма. Тогда выражения для Д), Д можно записать в виде:

а общее выражение д ля функционала 3 будет иметь вид:

5 - + ад + № • = + ) =

Обозначим через са1,а>2...ф] искомые функциональные состояния (число градаций состояний 5" и сами значения оо} е IVдля фиксированного множества объектов а, е Ад считаются заданными). Функционал 5 позволяет определить принадлежность произвольного объекта аI одному из классов А^ следующим образом:

а, 6 Л.,,. если 5 > = У, + ЫУ-, ■ 54));

а,- е если > 5 > А;;

а; е /Г если с.) <

Кох{х^и!шеиты Ь,, ¿ч и "порога" Ь,'' подбирают таким образом, чтобы минимизировать функцию потерь Я. которую в общем виде записывали следующим образом:

цт - относительные количества ошибок первого и второго рода и отказов;

ст - цены этих ошибок к отхалоа;

А - некоторая константа.

Поскольку в процедуре оптимизации участвует незначительное число переменных, то требования к объемам выборки снижаются. Сама процедура оптимизации (обучения) модели осуществляется на основе простого, но достато'шо эффективного реккурентного алгоритма адапташш.

В условиях, когда чисто объектов, составляющих обучающее множество Дз невелико, особенно важен предварительный отбор параметров, с целью отсева малозначащих, "шумящих" признаков. Для * ' тго'го использовали подход, впервые предложенный Г.СЛбовым и основанный на введении логических функций для описания динамических особенностей изучаемых процессов. Условия включения какого-либо признака в модель отражают требования определенного поведения этого признака при смене фазы воздействия в соответствии с введенным ранее предположением о наличии качественных изменений в характере исходной последовательности. Характер поведения выбранных признаков при смене фаз воздействий. должен быть: а) монотонным; б) с наличием "ступешгатых" изменений хотя бы для некоторых объектов экспериментального протокола. Для каждого вида нестабильности задается свой вид выражений для ■

Так, например, для признаков, характеризующих нестабильность внутренней структуры сердечного ритма, соответствующее условие может быть записано следующим образом:

1, если существует такое х{\ < Л* < {е - р)), что дляЯ < Г ^ = О для Я г л * О О- в противном случае

[О, если М* £ V

! , где Л/г - значение р-ю параметра,

[I, если М* > V

усредненного за некоторый интервал времени р.

Переменная Л играет роль признака достижения параметром некоторого устойчивого состояния, является своего рода точкой отсчета для начала фиксации признаков нестабильности. Параметр Л = X определяет момент, начиная с которого фиксировали появление нестабильности,

Аналогичным образом можно записать условия для других видов нестабильности.

Предложенная схема анализа была применена для оценки переносимости различных видов воздействий. Методика предполагает применение тестовых функциональных нагрузочных проб, т.е. строго дозированного раздражителя, вызывающего закономерные изменения определенных функций или систем организма. Существует несколько стратегий экспериментальных испытаний в зависимости от вида и интенсивности применяемых тестовых воздействий. Например, могут применяться тестовые воздействия, интенсивность или длительность которых постоянно возрастает и достигает таких величин, когда начинают проявляться явные признаки истощения функциональных резервов организма (экстремальные воздействия). Эти признаки у разных людей могут появляться на разных ступенях воздействия, что при традиционном подходе и позволяет судить о переносимости человеком данного воздействия. В качестве воздействия такого рода в данной работе рассматривали ступенчатую пробу с действием перегрузок на центрифуге, широко применяемую в практике подготовки и обследований летчиков и космонавтов. В этом случае задача состоит в том, чтобы получить прогнозную оценку переносимости воздействия при минимальной величине тестового воздействия. Более распространенным является другой вариант испытаний, когда в качестве тестового воздействия используют функциональные нагрузочные пробы с дозированной величиной фи-

зической нагрузки, например, стандартную пробу на велозрогометре. В этом случае идентификация функциональных возможностей организма обследуемого просолится на основании физиологической информации, характеризующей особенности метаболизма и регуляции основных функций организма во время пробы и в течение восстановительного периода посте окончания пробы. Получение такой информации требует применения большого количества технических и методических средств. Разработанный подход позволяет получить оценку переносимости воздействия на основании анализа внутренней структуры сердечного ритма, без привлечения какой-либо дополнительной информации. При этом чувствительность метода позволяет идентифицировать снижение функциональных резервов на ранней стадии и у лиц, обладающих высокими функциональными возможностями организма.

Предложенный подход также применяли для оценки состояния оператора в таком сложном виде исследований, как изучение влияния длительного стресса.

Для получения критерия переносимости человеком перегрузок продольного направления проводились исследования с пробами на центрифуге. Обучающая выборка содержала результаты обследований 25 человек - добровольцев, практически здоровых людей без специальной подготовки. Интенсивность воздействия изменялась ступенчато, увеличиваясь каждую минуту на 1 единицу, начиная от 3-х единиц, достигая таких величин, при которых фиксировали клинически-значимые признаки снижения функциональных возможностей организма (появление аритмий, синдром предоб-моро'шых состояний).

Последовательности кардиоинтервалов регистрировали до начала воздействия и во время каждой из ступеней нагрузки. Для удобства анализа информации применяли предварительное преобразование исходных последовательностей на основе метода автокорреляционной ритмотрафии: «сходную последовательность кардиоинтервалов {/У?}' = (гг/...гг^) преобразовывали в двумерное множество точек на

координатной плоскости, таким образом, что абсциссы и ординаты полученных точек были пропорциональны длительностям каждого предыдущего и последующего кардиоинтервалов соответственно. Полученное множество точек, нозшиемое в литературе скатгерограм-мой, или автокорреляционным облаком, позволяет представить основные структурные сдвиги исходной последовательности кардиоин-

тер валов в виде наглядных изменений геометрии и топологии автокорреляционных облаков. Автокорреляционное облако здорового человека в условиях функционального покоя обычно равномерно заполнено точками и имеет правильную геометрическую форму. При заболеваниях или внешних воздействиях происходят изменения геометрии и топологии облака - оно может значительно увеличиться в размерах (при синусовой аритмии), от него могут "отрываться" отдельные точки (при .жстрасистолии) и т.п. Для практически здорового человека, когда интенсивность внешнего воздействия не достигает экстремальных величин, эти изменения менее выражены и зависят от индивидуальных особенностей регуляции сердечного ритма и устойчивости человека к действию данного фактора. Для получения количественного критерия оценки переносимости рассматриваемого воздействия использовали следующие характеристики автокорреляционных облаков, отражающие проявление различных видов нестабильности структуры сердечного ритма при воздействии (см.рис.1): ai - продольный размер автокорреляционного облака, отражает

максимальную величину разброса значений длительности кардиоин-тервалов (/ = 1 ,р гдер - число фаз воздействия);

¿>,- - поперечный размер автокорреляционного облака, отражает выраженность неравномерности сердечного ритма;

й1 - смещение центра сгущения автокорреляционного облака в

случае его неправильной геометрической формы;

среднее расстояние отдельно отстоящих точек или отдельных частей облака до "компактного" сгущения точек, отражает выраженность определенных нарушений сердечного ритма.

В результате анализа поведения данных признаков были отобраны и включены в модель параметры Ь;, (¿¡, ¿>у/ и построены соответствующие показатели нестабильности:

дг(') = 4 ~ ■ дг(') _ Ь1-Ь*йп . а _ М _ 0.

1 И 1 ' 2 ~ I-~ "пах - "¡> "та ~ и>

атах ~ апЫ °тах ~ °пт

д/, при пэ = О

1А

¿^ + ^— , при п, * О

«э

(лэ - число отдельно отстоящих точек)

= Ь0, ще - поперечный размер автокорреляционных

облаков в покое;

ЬтЫ - минимальная величина параметра (определяли экспериментально) .

Подставив эти показатели в общее выражение для решающей функции, получили

В качестве параметров, характеризующих индивидуальные особенности регуляции ритма были взяты разность между длительностями кардиоинтервалов в покое и при нагрузке Л, разброс значений кардиошггервалов за время регистрации при нагрузке а,, неравномерность сердечного ритма в покое Полагали, что Д, = а0;

я ~ а<

д

Для повышения точности диагностики проводили предварительное разделение обследуемых в зависимости от специфики регуляции сердечного ритма в покое, определяемой в данном случае величиной

V

При задании допустимого уровня потерь, равного 15%, были получены следующие значения коэффициентов:

ах = 1;

для ¿о < 0,1 (сек) йг0=-0,5;

для 0,1 < Д, < 0,3 (сек) сг0=-0,6;

для 2: ОД (сек) аг0=-0,7.

Для иллюстрации работы метода на рис.1а, 16, 1в приведены автокорреляционные облака трех человек.

Первое автокорреляционное облако у всех обследуемых зарегистрировано в покое, второе, третье и четвертое - при воздействиях в 3, 4 и 5 единиц соответственно.

Автокорреляционные облака, приведенные на рис 1а соответствуют хорошей переносимости воздействия, т.к. какие-либо изменения геометрии или нарушения топологии у них не отмечены.

Случаи, приведенные на рис. 16 и 1в соответствуют плохой переносимости воздействия.

Действительно, автокорреляционное облако 2 на рис.16, соответствующее первой ступени воздействия, имеет неправильную геометрическую форму; при дальнейшем тестировании это явление усиливается и на третьей ступени воздействия (облако 4, рис.1) появляется нарушение "компактности" облака из-за возникновения у обследуемого множественной •жстрасистолии, что расценивается как явный

признак истощения функциональных возможностей организма.

Второе автокорреляционное облако на рис.1 в имеет нарушение "компактности", а на следующей ступени воздействия у обследуемого было зафиксировано предобморочное состояние и дальнейшее тестирование было прекращено ввиду явных признаков плохой переносимости воздействия.

/.1 0

А( 1

•

а) - хорошая переносимость воздействия

б) - переносимость воздействия снижена

Р ^.........-..........

4»

'{Г /

ч. #

в) - переносимость воздействия снижена Рис.1

Предложенные пришиты анализа информации и аналогичный способ описания исходных данных применяли для оценки функционального состояния операторов в таком сложном виде исследований, как

изучение атиякия на организм человека длительного стресса. Исследования носили индивидуальный характер и проводились на небольшой группе специально отобранных операторов (3 человека) в течение длительного времени (3 месяца) в условиях эксперимента с полностью контролируемыми параметрами среды и жизнедеятельности. Стрессовые воздействия моделировали путем циклически повторяющихся сдвигав времени сна и бодрствования. Физиологическую информацию регистрировали ежедневно при проведении серий специальных психофизиологических тестов. Испагьзуя только значения показателей выраженности различных видов нестабильности структуры сердечного ритма, были определены границы кшссов функщюнальных состояний операторов. Монотонный характер изменения показателей во время стрессовых воздействий свидетельствует о возможности получения прогнозных критериев переносимости данного вида воздействия при достаточном количестве экспериментальных данных.

В практике медицинских исследований широко распространены пробы с субзкстремальными воздействиями, в частности, пробы на ве-лозргометре. Поэтому актуальным представлялось получение критерия для оценки переносимости данного воздействия. В качестве экспериментального материала использовали дашгые, полученные при проведении периодических медицинских обследований космонавтов, длительно работающих на орбитальных станциях. Обучающая вйборка содержала свыше 50 проб 15 операторов. По каждой пробе на основе экспертного анализа большого объема дополнительной медицинской информации были определены степени переносимости оператором физического воздействия: 1 - хорошая переносимость, 2 - сниженная, 3- плохая переносимость.

Алгоритм анализа динамической структуры сердечного ритма строился на основе следующих преобразований. Для сформированных последовательностей кардиоинтервалов {ля} =(п\,гг2......гт^)

вычисляли два набора значений = (т......ггт) и

{-£"} = (К{......Кт), где ггр - средние значения кардиоинтервалов для

некоторых участков кардиоинтервалов длиной /, Кр - показатели, характеризующие степень неравномерности сердечного ритма внутри каждого из участков усреднения:

Кр = ~——-, где я? - число элементов в /-ом классе

группировки, построенной для значений разностей соседних кардиоинтервалов Дгт, = гг,,х ~ гг,\,1 = (У,т\

а] - коэффициенты, обеспечивающие изменение показателя Кр в

интервалах ог 1гуля до ели ни ни.

Показатели К р характеризуют выраженность "микроволновых"

процессов или флюктуаций сердечного ритма.

В исходную систему признаков включали следующие показатели: .. >

Д Ж-, где д;

л (О, в противном случае

А - £=}___

к

2Л

при <?*(/:)* о

. те

О, в противном случае V«

1, если

Р'М

О, в противном слу чае 5а,д - некоторые константы для определения начала установившегося процесса.

Значения Д, Д характеризуют нестабильность последовательности

средних значений кардиоинтервалов; Д - характеризует общую "колеблемость" значений последовательности; Д- характеризует тенденцию к уменьшению значений ряда; К - характеризует флюктуации сердечного ритма.

Для получения критерия оценки переносимости внешнего воздействия были отобраны признаки Д , К и соотношение признаков К, А и построены следующие показатели нестабильности:

К ■ дг - ^ •

аЛ" 2 " а2Щ' 3 " а3М;'

Nl = Д - характеризует нестабильность средних значений кардиоинтервалов;

N■2 - К- характеризует нестабильность микроструктуры сердечного ритма;

= Г л:" - а:1, если Кп > К1 и д" < д! 5 |0, в противном случае

гае

»1 __я __^ я

ъкр I*, ед;

к1 = к" = р'Пг д' = д" =р=яг

Ъ ' Ъ ' "1 "г

С^П 1

А Пг = п-ъ + 1;

Л'з - характеризует нестабильность, связанную с изменением характера взаимосвязи параметров Д и К;

Л7, , /^з - максимальные значения показателей для данного вида исследований; выбираются на основании анализа экспериментальных данных;

а\, а7, а1' масштабирующие коэффициенты.

В выражении для решающей функции 5 = Д0 + Д.У полагали, что До = V + Д = - ЛКд/я), гае - минималыю-допу-стимое значение средней длительности кардиоинтервалов ЯЯя при данном виде воздействия; определяется экспертами.

Для практической реализации алгоритма задавали следующие значения параметров:

/=20, 1У=5.

Коэффициенты а] определяли из условий нормировки: показатель Кр должен принимать значение единица, когда все разности Дщ не выходят за пределы минимального уровня измерений, т.е. Кр-1 при = I~ 1,^2 = £з =0;

Кр принимает значение, равное нулю, когда число разностей, соответствующих различным уровням измерений, одинаково, = ¿2 —=*

В этом случае = 0; а^ = 0,5; с3 = 1; аА = 1,5; = 2.

Для данного экспериментального протокола а2 = 1; 0Г1 = а3 = 0,01;

ТУ* = 1; ЛГ^ = 0,1; = 0,1 (выбирали экспериментально). В процессе работы алгоритма обучения были определены значения коэффициентов ¿о. V- ^ = ^ = 0,25; ^=¿2 = 1.

- хорошая переносимость 3 - сниженная переносимость * -плохая переносимость

На рис.2 приводятся графики изменения показателей ВЯ и А'для 4-х проб одною из операторов. На каждом из графиков выделено 4 участка: I - до начала воздействия, II - переходные периоды, III -периоды воздействия, ГУ - периоды после окончания воздействия. Графики изменения средних значений кардиоинтервалов ЯЯ - показаны сплошными линиями, графики показателей флюктуации ритма К - пунктирной. Из графиков видно, что по мере увеличения длительности работы данного оператора на станции (интервалы между пробами составляли около 1,5 месяца) увеличивалась нестабильность внутренней структуры сердечного ритма: во время пробы 1 значения показателя - нулевые; при пробах 3 и 4 значения показателя К увеличиваются к концу нагрузки.

В соответствии с полученными экспериментальными данными потери (случаи завышения оценок) не превышали 7%, что значительно ниже уровня потерь, возникающих при использовании других методов оценки функционирования системы регуляции сердечного ритма и переносимости человеком физических воздействий.

ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Предложенная общая схема решения задачи оценки переносимости человеком йнешних воздействий на основе динамических характеристик сердечного ритма позволила разработать эффективный метод решения практических задач, связанных с оценкой переносимости конкретных видов воздействий.

2. Применение унифицированной формы описания и отбора динамических признаков сердечного ритма позволило дифференцировать и оценить сравнительный "вклад" различных факторов нестабильности структуры сердечного ритма, включая средневзвешенные эффекты, нестабильность микроструктуры ритма и изменение взаимосвязи параметров этих двух основных групп, в общий процесс нарушения механизмов регуляции сердечного ритма.

Анализ экспериментального материала показал, что наиболее ценными с точки зрения решения поставленной задачи являются признаки нестабильности микроструктуры сердечного ритма и нарушения взаимосвязей основных параметров. Наиболее явным признаком снижения функциональных возможностей организма является

увеличение выраженности флюктуации сердечного ритма при одновременном уменьшении средней длительности кардиоинтервалов Факгоры нестабильности сердечного ритма могут иметь больший ши меньший "вес" в диагностическом процесс« в зависимости от индивидуальных особенностей регуляции сердечного ритма, которые можно оценить по традиционным статистическим параметрам ритм: сердца в покое.

» 3. Показано, что функционал 5 = Д, + ДЗЧЛ^) может бьггь использован для получения количественных критериев переносимости рассматриваемых в работе воздействий.

Этот функционал может трактоваться как некоторый показател! "запаса прочности" организма. Он содержит составляющие , определяемые как общими свойствами, так и индивидуальными динамическими особенностями регуляции ритмз сердца.

4. Разработанный на основе предложенного подхода метод экспресс-оценки переносимости такого физического воздействия, как перегрузка продольного направления, позволяет значительно снизить интенсивность применяемых тестовых воздействий без потери достоверности оценок.

5. Алгоритм автоматизированной оценки переносимости физических воздействий по результатам пробы на велоэргометре позволяет идентифицировать признаки снижения переносимости на ранней стадии и у лиц, обладающих повышенными функциональными возможностями организма.

6. Предложенный подход к анализу динамической структуры сердечного ритма может применяться для прогнозирования развития нежелательных процессов в организме в таких сложных видах исследований, как изучение влияния длительного стресса.

При практической реализации метода необходимо учитывать следующее.

Использование метода предполагает определенную стратегию испытаний объекта, включающую выполнение какого-либо нагрузочного теста или функциональной пробы.

Для достаточно интенсивных тестовых воздействий, таких как, например, перегрузка величиной не менее 3 единиц на центрифуге, может бьпъ использован экспресс-метод с регистрацией графического изображения автокорреляционного облака с помощью серийных медицинских приборов типа РКС-1,2.

Для реализации алгоритма оценки переносимости физических

воздействий по пробе на велоэргометре необходимо устройство взода кардиосигмала в компьютер. При наличии во входной информации шумов и артефактов, характерных для динамических режимов тестирования следует применять специально разработанные диухнроход-ные алгоритмы анализа кардиосигнала. Возможно также применение спе; шал из и ро ¡га! шой аппаратуры регистрации пульса сердца.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Дорошев В.Г., Гречихин Г.Н., Сапожников В.А., Рак Л.М., Ба-кутне А.А.. Лебедева И.Е. Методы оценки сердечною ритма как показателя функционального состояния летчика в полете. Военно-медицинский журнал, 1984, №1, с.46-48.

2. Определение динамических характеристик сердечного ритма операторов при действии экстремальных факторов: Отчет; йсп. Лебедева И.Е., N>1*18962, М., 1990, 4Б с.

3. Лебедева И.Е., Дорошев В.Г. Способ прогнозирования угроха-юших состояний при действии продольных ускорений в направлении "голова-таз". Авиакосмичесхая и экологическая медицина, 1993, №5, с.59-63.

4. Пат.2006203 РФ. Способ оцепи; переносимости человеком-оператором физических воздействий. НПО "Энергия"; Лебедева И.Е. и др. - заяал. 12.02.90, №4790324/14; Опубл. в Б.И., 1994, Ш, МКИ А61В5/02.